La storia dell'ossigeno sul nostro pianeta nasconde uno dei più affascinanti enigmi della geobiologia: se i cianobatteri iniziarono a produrre questo gas vitale già 2,9 miliardi di anni fa, perché ci vollero oltre mezzo miliardo di anni prima che si accumulasse stabilmente nell'atmosfera? Un gruppo di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology ha trovato una possibile risposta in un enzima antico quanto la vita stessa, dimostrando che alcuni organismi potrebbero aver imparato a respirare ossigeno centinaia di milioni di anni prima del Grande Evento di Ossigenazione, consumandolo quasi istantaneamente e impedendo così la sua diffusione atmosferica.
Lo studio, pubblicato sulla rivista Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, si è concentrato sulle eme-rame ossigeno reduttasi, una famiglia di enzimi fondamentali per la respirazione aerobica presenti oggi nella stragrande maggioranza degli organismi che utilizzano ossigeno, dagli esseri umani ai batteri. Questi complessi molecolari svolgono una funzione cruciale: convertono l'ossigeno molecolare in acqua, permettendo agli organismi di estrarre energia dai nutrienti in modo estremamente efficiente. Il team guidato da Fatima Husain, ricercatrice post-dottorato presso il Dipartimento di Scienze della Terra, Atmosferiche e Planetarie del MIT, ha ricostruito la storia evolutiva di questo enzima per determinare quando comparve per la prima volta sulla Terra.
La metodologia impiegata ha rappresentato una sfida considerevole. I ricercatori hanno identificato la sequenza genetica dell'enzima e l'hanno ricercata in database genomici contenenti milioni di specie. Come spiega Gregory Fournier, professore associato di geobiologia al MIT e coautore dello studio: "La parte più difficile di questo lavoro è stata che avevamo troppi dati. Questo enzima è semplicemente ovunque ed è presente nella maggior parte degli organismi viventi moderni". Il gruppo ha dovuto campionare e filtrare le informazioni fino a ottenere un dataset rappresentativo della diversità della vita moderna ma sufficientemente limitato per permettere analisi computazionali, selezionando diverse migliaia di specie.
Una volta ridimensionato il campione, gli scienziati hanno posizionato le sequenze enzimatiche su un albero evolutivo della vita, stimando quando si siano sviluppati i diversi rami. Quando disponevano di evidenze fossili per un particolare organismo, hanno utilizzato la sua età stimata come punto di ancoraggio temporale. Applicando molteplici riferimenti paleontologici, hanno raffinato le stime sull'origine dell'enzima, datandola al Mesoarcheano, un'era geologica compresa tra 3,2 e 2,8 miliardi di anni fa, dunque diverse centinaia di milioni di anni prima del Grande Evento di Ossigenazione avvenuto circa 2,3 miliardi di anni fa.
I cianobatteri furono i primi organismi conosciuti a produrre ossigeno attraverso la fotosintesi ossigenica, sfruttando la luce solare e l'acqua e rilasciando ossigeno come sottoprodotto. Le stime scientifiche collocano la loro comparsa attorno a 2,9 miliardi di anni fa, il che significa che questi microbi generarono ossigeno per centinaia di milioni di anni prima che il gas si accumulasse stabilmente nell'atmosfera. Per decenni gli studiosi hanno ipotizzato che reazioni chimiche con minerali e rocce sequestrarono gran parte di questo ossigeno precoce, impedendone l'accumulo atmosferico.
La nuova ricerca aggiunge un tassello fondamentale: organismi viventi potrebbero aver consumato attivamente quell'ossigeno primordiale. I microbi che svilupparono le eme-rame ossigeno reduttasi durante il Mesoarcheano, vivendo probabilmente in prossimità delle colonie di cianobatteri, avrebbero rapidamente assorbito le piccole quantità di ossigeno prodotte dalla fotosintesi. Questo meccanismo biologico, agendo in parallelo ai processi geochimici, potrebbe spiegare il lungo intervallo temporale tra la comparsa dei produttori di ossigeno e l'ossigenazione permanente dell'atmosfera terrestre.
L'analisi si è concentrata specificamente sul nucleo catalitico dell'enzima, la porzione molecolare dove avviene effettivamente la reazione con l'ossigeno. Questa scelta metodologica ha permesso di tracciare con maggiore precisione l'evoluzione della funzione respiratoria aerobica, escludendo variazioni genetiche periferiche meno rilevanti dal punto di vista funzionale. La ricerca si inserisce in un programma pluriennale del MIT volto a ricostruire la storia dell'ossigeno terrestre, precedenti studi dello stesso gruppo avevano già stabilito le tempistiche della produzione primordiale di ossigeno e del suo accumulo atmosferico.
Le implicazioni di questa scoperta vanno oltre la semplice datazione di un enzima. I risultati suggeriscono che la vita abbia dimostrato una capacità di adattamento e innovazione biochimica sorprendentemente rapida. Non appena i cianobatteri iniziarono a rilasciare ossigeno, altri organismi svilupparono rapidamente i meccanismi molecolari per utilizzarlo, trasformando quello che poteva essere un veleno cellulare in una risorsa metabolica. Questo dialogo evolutivo tra produttori e consumatori di ossigeno modellò profondamente la biochimica planetaria per centinaia di milioni di anni.
Come sottolinea Husain, considerando complessivamente le ricerche condotte al MIT, i tasselli del puzzle dell'ossigenazione terrestre stanno finalmente combaciando, evidenziando come la vita sia stata capace di diversificarsi e adattarsi a questo nuovo mondo ossigenato.
